单模VCSEL自混合测速、测距及三维图像技术的研究

论文摘要

本学位论文工作是以与美国微软公司西雅图硬件部的国际合作为背景，围绕单模垂直腔面发射激光器（VCSEL）自混合测速、测距及三维图像技术展开研究，重点研究多普勒测速系统的精度、动态范围和方向判别等重要参数；重点研究自混合测距系统的精度、分辨率和动态范围等重要参数；从原理和结构上提出一种新型的数字微反射镜阵列器件—飞行时间（DMD-TOF）三维图像技术，重点研究DMD-TOF三维图像系统的光电设计方法，以及深度地图象素数量、深度测量分辨率和深度测量速度等重要参数。 本论文的研究工作主要有： 1．与项目组成员共同完成单模VCSEL自混合多普勒测速的原理与系统研究；建立单模VCSEL自混合多普勒测速实验装置，设计系统的光电信号处理电路，从理论和实验上研究影响测速精度和动态范围的主要因素。采用单模VCSEL代替普通半导体激光器，明显改善了多普勒测速系统外腔长变化的动态范围，提高了测速精度；采用差频模拟锁相技术处理多普勒信号，减小了多普勒频率展宽及调幅包络对测速精度的影响，使测速精度达到1％，同时扩大了频率跟踪范围，使测速动态范围达到2～1000mm／s。论文作者主要负责并完成了测速精度的研究。 2．与项目组成员共同完成单模VCSEL自混合测距的原理与系统研究：建立单模VCSEL自混合测距实验装置，设计系统的光电信号处理电路，从理论和实验上研究影响测距精度、分辨率和动态范围的主要因素。采用对单模VCSEL进行大的激光调制频偏，利用差频模拟锁相技术处理自混合拍频信号，明显改善了拍频信号在拐点处的不连续，对拍频信号的调幅干扰和波形失真有明显的抑制效果，提高了信噪比，使测距精度达到2mm，分辨率优于2mm，同时使动态范围扩大到50～500mm。论文作者主要负责并完成了测距精度的研究。 3．与项目组成员共同提出了一种新的DMD-TOF三维图像技术，它具有高

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光自混合干涉效应概述
• 1.2 激光自混合干涉效应的应用及研究进展
• 1.2.1 多普勒测速及研究进展
• 1.2.2 激光自混合测距及研究进展
• 1.2.3 激光自混合测量位移及研究进展
• 1.3 三维图像技术的概述及研究进展
• 1.4 本论文主要工作
• 参考文献
• 第二章 单模VCSEL自混合LDV研究
• 2.1 半导体激光器
• 2.1.1 基本结构和工作原理
• 2.1.2 工作特性
• 2.2 垂直腔表面发射激光器VCSEL
• 2.2.1 VCSEL基本结构
• 2.2.2 VCSEL优点
• 2.3 单模VCSEL自混合LDV测速研究
• 2.3.1 LDV测速基本原理
• 2.3.2 实验装置
• 2.3.3 测速精度和动态范围研究
• 2.3.4 方向判别的研究
• 2.4 LDV测速系统光电信号处理电路分析
• 2.4.1 信号处理电路结构
• 2.4.2 信号处理电路参数和电气性能
• 2.4.3 相关问题讨论
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 单模VCSEL自混合测距研究
• 3.1 激光自混合测距基本原理
• 3.1.1 半导体激光调频原理
• 3.1.2 连续波调制半导体激光器
• 3.1.3 自混合测距基本原理
• 3.2 单模VCSEL自混合测距实验研究
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 精度和动态范围的研究
• 3.2.3 光电系统优化
• 3.3 自混合测距系统光电信号处理电路分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 DMD-TOF三维图像技术研究
• 4.1 三维图像技术现状分析
• 4.1.1 Lock-in CCD/CMOS法
• 4.1.2 SLM法
• 4.2 DMD-TOF三维图像原理
• 4.2.1 DMD器件
• 4.2.2 DMD开发工具
• 4.2.3 光电系统设计
• 4.3 DMD-TOF三维图像系统参数分析及优化
• 4.4 初步实验验证
• 4.4.1 LED TOF测距实验装置
• 4.4.2 LED TOF测距系统电路分析
• 4.4.3 实验结果及讨论
• 4.4.4 两维图像与深度测量光学系统共用一个镜头实验
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结束语
• 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢